混頻二極管及其應(yīng)用
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混頻二極管是一種肖特基勢(shì)壘二極管，它是利用金屬和N型半導(dǎo)體相接觸所形成的金屬半導(dǎo)體結(jié)的原理而制成的。當(dāng)金屬與半導(dǎo)體相接觸時(shí)，它們的交界面處會(huì)形成阻礙電子通過(guò)的肖特基勢(shì)壘，即表面勢(shì)壘。為了使半導(dǎo)體中的載流子容易地越過(guò)勢(shì)壘進(jìn)入金屬，它必須采用電子逸出功（電子跑出半導(dǎo)體或金屬表面所需的能量）比金屬大得多的N型半導(dǎo)體。當(dāng)二極管加上正向偏壓時(shí)，勢(shì)壘下降，多數(shù)載流子（電子）便從半導(dǎo)體進(jìn)入金屬。混頻二極管與一般二極管相比，由于利用多數(shù)載流子工作，沒(méi)有少數(shù)載流子儲(chǔ)存效應(yīng)，所以具有頻率高、噪聲低和反向電流小等特點(diǎn)，主要用于混頻器。
2 電特性
2.1正向特性
表1給出日立公司生產(chǎn)的混頻二極管的電性能，共17個(gè)型號(hào)，主要用于UHFTV調(diào)諧混頻器、CATV平衡混頻器和調(diào)諧混頻器，外形DO-35個(gè)玻殼封裝，尺寸為4.2mm×2.0mm，引出線(xiàn)為2個(gè)引腳；DO-34為玻殼封裝，尺寸為2.4mm×2.0mm，2個(gè)引腳；UMD為微型玻殼封裝，尺寸為2.6mm×1.6mm，2個(gè)引腳；LLD為無(wú)引線(xiàn)玻殼封裝，尺寸為3.5mm×1.35mm；MPAK（EIAJSC-59）為片狀化封裝，尺寸為2.8mm×1.5mm×1.1mm，引出線(xiàn)為3個(gè)引腳；SRP為片狀化封裝，尺寸為2.6mm×1.6mm×1.1mm，引出線(xiàn)為2個(gè)引腳。HSM88S/SR和HSM88AS/ASR都是由兩個(gè)串聯(lián)的混頻二極管組成，HSM88S與HSM88SR的區(qū)別僅在于引出線(xiàn)的正負(fù)端有所不同，HSM88AS與HSM88ASR的區(qū)別也是如此。HSM88WA/WK由兩個(gè)并聯(lián)的混頻二極管組成，WA與WK的區(qū)別僅在于引出線(xiàn)的正負(fù)端有有不同。從表1中可知，國(guó)外混頻二極管在外形上有兩大發(fā)展趨勢(shì)，一是尺寸越來(lái)越小，如玻殼封裝從DO-35到DO-34再到UMD，二是從軸向有引線(xiàn)向片狀化方向發(fā)展，從DO-35到LLD/MPAK/SRP。
為了敘述方便，這里僅以1SS86/1SS87為例說(shuō)明。它們的正向特性由圖1所示，當(dāng)正向電流IF為1mA時(shí)，1SS86的正向壓降VF≤0.2V，1SS87的VF≤0.45V；當(dāng)IF為10mA時(shí)，1SS86的VF=0.4V，1SS87的VF=0.6V。另外，從表1中可知，國(guó)外混頻二極管的正向特性越做越好，主要表現(xiàn)在正向特性的一致性更好，有類(lèi)似于變?nèi)莨艿呐鋵?duì)特性，如在IF=10mA下，1SS165的VF=520mV～600mV±5mV；HSM88S/SR與HSM88AS/ASR的VF分別為520mV～600mV±10mV和500mV～580mV±10mV，表明VF的偏差只有5mV～10mV。
型號(hào) | 正向電壓VF/mV | 反向電流IR/μA | 結(jié)電容C/pff=1MHz,VR=0.5V | 外形 | 用途 |
1SS86 | ≤500(8mA) | ≤50(0.5V) | ≤0.85 | DO-35 | UHFTV調(diào)諧混頻器 |
1SS87 | ≤500(3mA) | ≤10(2V) | ≤0.85 | DO-35 | 同上 |
1SS88 | 365430(1mA)520 600±5(10mA) | ≤0.2(2V) ≤10(10V) | ≤0.97±0.05(0V) | DO-35 | CATV平衡混頻器 |
1SS165 | 365435(1mA)520 600±5(10mA) | ≤0.2(2V) ≤10(10V) | ≤1.0±0.05(0V) | DO-34 | 同上 |
1SS166 | 同上 | 同上 | ≤1.2±0.05(0V) | UMD | 同上 |
1SS174 | ≤500（35mA） | ≤50(0.5V) | ≤1.2 | DO-34 | UHFTV調(diào)諧混頻器 |
1SS228 | ≤500（35mA） | ≤50(0.5V) | ≤1.1 | UMD | 同上 |
1SS276 | ≤500（35mA） | ≤50(0.5V) | ≤0.8 | UMD | 調(diào)諧混頻器 |
HSK151 | ≤500（35mA） | ≤50(0.5V) | ≤1.2 | LLD | UHFTV調(diào)諧混頻器 |
HSM885 /SR | 365435(1mA)520 600±10(10mA) | ≤0.2(2V) ≤10(10V) | ≤0.85±0.1(0V) | MPAK | CATV平衡混頻器 |
HSM88AS /ASR | 350420(1mA)500 580±10(10mA) | ≤0.2(2V) ≤10(10V) | ≤0.85±0.1(0V) | MPAK | 同上 |
HSM88WA /WK | 同上 | 同上 | 同上 | 同上 | 同上 |
HSM2765 | ≤500（35mA） | ≤50(0.5V) | ≤0.9±0.1 | MPAK | 同上 |
HSR276 | ≤500（35mA） | ≤50(0.5V) | ≤0.85 | SRP | 調(diào)諧混頻器 |
它們的反向特性由圖2所示。混頻二極管的反向漏電流較小，如在VR=2V下，1SS86的IR為20μA，1SS87的IR為1μA；在VR=4V下，1SS86的IR為70μA，1SS87的IR為4μA，表明1SS87的反向特性比1SS86好?；祛l器要求混頻二極管的反向漏電流小，這樣，混頻器的噪聲系數(shù)也小。
2.3結(jié)電容
它們的結(jié)電容與反向電壓的關(guān)系由圖3所示。當(dāng)VR=0V時(shí)，1SS86/1SS87的結(jié)電容C都小于0.85pF；在VR=1V時(shí)，它們的電容C都小于0.7pF。由于混頻二極管的結(jié)電容較小，所以混頻器的頻率較高。另外，從表1可知，國(guó)外混頻二極管的結(jié)電容的偏差也越來(lái)越小，如在VR=0V時(shí)，1SS88/1SS165/1SS166的電容偏差ΔC均為±0.05pF；HSM88S/SR、HSM88AS/ASR和HSM88WA/WK的ΔC均為±0.1pF。
3 應(yīng)用
3.1混頻器[1]
混頻器一般由輸入信號(hào)回路、本機(jī)振蕩器、非線(xiàn)性器件和濾波網(wǎng)絡(luò)等4部分組成，如圖4所示。這里的非線(xiàn)性器件本身僅實(shí)現(xiàn)頻率變換，本振信號(hào)由本機(jī)振蕩器產(chǎn)生。若非線(xiàn)性器件既產(chǎn)生本振信號(hào)，又實(shí)現(xiàn)頻率變換，則圖4變?yōu)樽冾l器。所謂混頻，是將兩個(gè)不同的信號(hào)（如一個(gè)有用信號(hào)和一個(gè)本機(jī)振蕩信號(hào)）加到非線(xiàn)性器件上，取其差頻或和頻?；祛l器可根據(jù)所用非線(xiàn)性器件的不同分為二極管混頻器、晶體管混頻器、場(chǎng)效應(yīng)管混頻器和變?nèi)莨芑祛l器等?；祛l器又可根據(jù)工作特點(diǎn)的不同，分為單管混頻器、平衡混頻器、環(huán)形混頻器、差分對(duì)混頻器和參量混頻器等。在設(shè)計(jì)混頻器時(shí)應(yīng)注意如下幾點(diǎn)：（1）要求混頻放大系數(shù)越大越好?；祛l放大系數(shù)是指混頻器的中頻輸出電壓振幅與變頻輸入信號(hào)電壓振幅之比，也稱(chēng)混頻電壓增益。增大混頻放大系數(shù)是提高接收機(jī)靈敏度的一項(xiàng)有力措施。（2）要求混頻器的中頻輸出電路有良好的選擇性，以抑制不需要的干擾頻率。（3）為了減少混頻器的頻率失真和非線(xiàn)性失真以及本振頻率產(chǎn)生的各種混頻現(xiàn)象，要求混頻器工作在非線(xiàn)性特性不過(guò)于嚴(yán)重的區(qū)域，使之既能完成頻率變換，又能少產(chǎn)生各種形式的干擾。（4）要求混頻器的噪聲系數(shù)越小越好，在設(shè)計(jì)混頻器時(shí)，必須按設(shè)備總噪聲系數(shù)分配給出的要求，合理地選擇線(xiàn)路和器件以及器件的工作點(diǎn)電流。（5）要考慮混頻器的工作穩(wěn)定性，如本機(jī)振蕩器頻率不穩(wěn)定引起的混頻器輸出不穩(wěn)等。（6）注意混頻器的輸入端和輸出端的連接條件，在選定電路和設(shè)計(jì)回路時(shí)，應(yīng)充分考慮如何匹配的問(wèn)題。
3.2二極管混頻器
所謂二極管混頻器就是混頻器中的非線(xiàn)性器件采取混頻二極管的混頻器，它的電原理圖如圖5所示。圖5中L1C1為輸入信號(hào)回路，調(diào)諧于輸入信號(hào)頻率fS；L2C2為輸出中頻回路，調(diào)諧于中頻頻率fi。輸出中頻回路直接與混頻二極管D、信號(hào)輸入電壓μS、本振電壓μO和偏置電源EO串聯(lián)在一起，輸出中頻電壓μi全部反作用到混頻二極管上。這種二極管混頻器具有電路簡(jiǎn)單、噪聲小和工作頻率高等特點(diǎn)，但混頻電壓增益較低。這種電路在大信號(hào)混頻中使用時(shí)，混頻二極管在開(kāi)關(guān)狀態(tài)工作，它能獲得較大的動(dòng)態(tài)范圍，所以在微波電路中較廣泛地應(yīng)用。若采用單個(gè)器件組成的混頻器，其非線(xiàn)性和動(dòng)態(tài)范圍都不太理想?，F(xiàn)在，彩電電調(diào)諧器大多采用兩個(gè)或多個(gè)器件組成的平衡混頻器和差分對(duì)混頻器等，以提高混頻器的性能。
在微波領(lǐng)域中，若將圖4中的非線(xiàn)性器件采用兩個(gè)混頻二極管，則可構(gòu)成混頻二極管短波混頻器[2]。這種混頻器具有如下特性：（1）它屬平衡電路形式，可克服單管混頻器在非線(xiàn)性和動(dòng)態(tài)范圍方面的不足；（2）具有穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn)，變頻增益低和無(wú)再生效應(yīng)；（3）混頻噪聲??；（4）混頻器的動(dòng)態(tài)范圍依賴(lài)于本振電壓的大小。為了提高短波接收機(jī)的性能，可增加短波可調(diào)預(yù)選器，這時(shí)應(yīng)采用由兩個(gè)變?nèi)莨芙M成的參量混頻器，這種參量混頻器稱(chēng)為上邊帶向上變頻短波參量混頻器，它屬平衡式混頻線(xiàn)路，如圖6所示。這種參量混頻器把短波信號(hào)2MHz～32MHz變換為中頻信號(hào)112MHz，中頻信號(hào)通過(guò)高選擇性的晶體濾波器，以便給±10kHz帶寬提供必要的帶外保護(hù)。短波可調(diào)預(yù)選器可作為寬動(dòng)態(tài)范圍的精密可調(diào)有源濾波器。對(duì)于晶體濾波器±10kHz帶寬以外的頻率來(lái)說(shuō)，接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍將大大增大。在通信中，當(dāng)短波接收機(jī)受到強(qiáng)干擾時(shí)，可將短波可調(diào)預(yù)選器接在天線(xiàn)和短波接收機(jī)之間，從而抵消強(qiáng)干擾所產(chǎn)生的噪聲。圖6中的兩個(gè)變?nèi)莨転?CC17，其結(jié)電容C3=24pF～28pF，C30=2.8pF～3.5pF,電容比C3/C30≥6.8,Q≥100[3]。變?nèi)莨芡ㄟ^(guò)±45V的高阻抗電源取得反向直流偏置電壓，并在適當(dāng)?shù)碾妷弘娖较掳赐仆焓接杀妙l放大器推動(dòng)。泵頻放大器為單管放大器，將頻率合成器來(lái)的電壓放大，使變?nèi)荻O管兩端得到約20V的泵頻電壓，以獲得所需要的140dB的動(dòng)態(tài)范圍
評(píng)論